桥面防水粘结层层间健康监测系统施工工艺研究

杨晨光 黄哲 柳海涛

摘要：为长期监测桥面防水粘结层的防水性，基于耐碾压、耐高温及耐腐蚀的施工原则，采用埋入式传感器、振弦式采集器、无线通讯组网等组建的层间健康监测系统。论述层间健康监测系统的准备、刻槽、埋设、回填、预制后铺设、安装等施工流程，阐述基于桥面净空的数据采集箱、太阳能板及其附属装置的施工方法，结合桥面铺装特点，提出不同类型传感器的预埋设措施。

关键词：桥面铺装；防水粘结层；健康监测；施工工艺

项目来源：陕西高速集团科研项目《高速公路桥面防水粘结层服役期性能健康监测及研究》（KY20-01）

0   引言

桥面防水粘结层作为桥面铺装的重要组成部分，若服役期内防水粘结层处破损，易导致防水功能失效，积水渗入桥面板易引起钢筋锈蚀，不利于铺装层耐久性。近年来，埋入式传感器由于稳定、隐蔽等特点，在路面结构受力状况与温度、湿度监测得到了广泛应用，相关技术的研究也逐渐增多。

张敬川等[1]研究了传感器宽度、厚度、埋设方法对混凝土构件强度的影响。夏红卫等[2]研究了影响沥青混合料应力集中的埋入式传感器因素，提出测力杆长度、传感器模量与荷载的敏感性依次降低。冯振刚等[3]基于美国足尺路面试验路，推荐了高寒和重载地区沥青路面层位的传感器埋设类型、位置。熊成林等[4]基于沥青混凝土施工特点，推荐了传感器在沥青混凝土中预设坑槽的施工方法。姜臻等[5]对路基埋设的应力传感器存活性和有效性进行了验证性试验。

现行研究中，暂无测定桥面防水粘结层的传感器施工工艺实践与研究。由于传感器的埋设与及其配套装置的安装涉及到桥面净空，而在路基路面结构内安装健康监测系统难以指导施工，鉴于此有必要进一步开展桥面防水粘结层层间健康监测系统工艺研究。

1   桥面防水粘结层层间健康监测系统组成

桥梁防水粘结层层间健康监测系统是以传感终端、zigbee通信、计算机技术为依托，通过对防水粘结层层间受力状况及环境参数的监控，分析与评估防水粘结层的结构完整性，为桥面日常运营、养护计划的发布提供科学决策依据及高效预警。

完整的桥梁防水粘结层层间健康监测系统，集数据采集、传导、分析为一体的，主要包含如下模块：传感器子系统（包括沥青应变计、混凝土应变计、温湿度应变计）、数据采集子系统（包括主机、数据采集器、配电箱）、数据传输处理子系统、中心数据库子系统。

由于数据传输处理子系统、中心数据库子系统属于基站、后台的管理与维护工作，不涉及现场施工，故防水粘结层健康监测系统的施工工艺研究，仅针对传感器子系统、数据采集子系统的布设开展。

2  桥面防水粘结层层间健康监测系统施工工艺

2.1   施工流程

太凤高速采用SBR改性乳化沥青作为防水功能层、SBS改性沥青同步碎石封层，作为增强防水及应力吸收功能层，2种结构组成桥面防水粘结层。针对太凤高速王家山大桥实体工程，制定桥面层间健康监测系统的施工流程如图1所示。

2.2   施工准备

2.2.1   线缆防护准备

线缆耐高温保护层选择粗钢丝弹性螺旋纹空心揽装，与实际线缆长度比例为1：1。依据设计中确定的各传感单元埋设点位，切割、分类标号不同传感单元对应的耐高温保护套备用。

2.2.2   回填材料准备

考慮到需要测定水泥混凝土面板的实际应变情况，回填的补坑材料尽可能与原水泥面板材料性能一致。王家山大桥设计文件提出“桥面铺装采用C40水泥混凝土”，故选择C40自流平水泥。在埋设点位10～20m范围暂存砂石、水泥等材料，用防雨篷布全面遮挡，待传感器铺设且单线程测试完成后，立即拌和、摊铺自流平水泥砂浆。

2.3   桥面板刻槽

按埋设部位及监测目的不同，传感单元在道路桥梁的安装方式主要可分为3种：

2.3.1   直接布设法

直接布设法是通过将传感单元直接安装于结构表面或结构附近，通过传感实时监测结构的振动情况，采用结构的实时挠度指标，获取结构的动力响应特性、测定及损伤情况。目前应用较为普遍的是适用于桥梁损伤识别与监测。

2.3.2   预设坑槽埋设法

预设坑槽埋设法是在预铺设的结构层摊铺前，在设计部位安装耐高温保护套，将线缆连接，并保证其末端引导至保护套内。待摊铺结束后取出保护套，再将应变计放入坑槽内，将线缆末梢与应变计连接，采用原摊铺料充填坑槽并碾压至平整。该方法通常用于厚度较大的沥青路面结构层间的温湿度测定[6]。

2.3.3   刻槽埋设补槽法

刻槽埋设补槽法是对已完工的下面层结构设计刻槽，在防水粘结层及沥青混凝土施工前，预先埋设好线路走向及传感单元在槽内。采用自流平水泥补坑后，依据健康监测的几种技术类型需求，将传感单元顶端探头调整、固定至合理位置，再进行防水粘结层及面层的热摊铺及碾压。

该方法可有效保证线缆和传感单元不破坏防水粘结层，且不易被高温高压施工环境影响，故本文采用水泥混凝土刻槽机，在传感器埋设横向范围雕刻宽5cm、深7cm的线缆、传感器走线槽，待走线槽完全干燥后进行下一步传感单元组装工作。

2.4   传感器及线缆现场铺设

混凝土应变计、温湿度传感器应在SBR改性乳化沥青洒布前进行埋设。砂浆回填时，应避免与沥青应变计直接接触，宜将沥青应变计以耐碾压保护套防护，并置于坑槽以外。所有线缆的铺设工作应在水泥砂浆回填前完成，铺筑传感器之前，应先控制好传感器的纵向埋设高程。

在引线槽的顶部中线部位，应紧贴水泥桥面板用细线固定，以控制高度。同时将沥青应变计、湿度传感器的探头固定在细线上，保证沥青应变计、湿度传感器的探头底部与引线槽顶部齐平。温度传感器的底部紧贴水泥桥面板顶部，混凝土应变计的顶部控制在距离水泥桥面板4～5cm的范围内。

基于预设的层间埋设点位图，人工在走线槽标注不同传感单元的放置点。将线缆套上耐高温高压保护层，将传感器以线缆与数据采集器连接，同时在应变计探头部位采用可变形的橡胶套包裹。

技术人员检查与线缆相连的两端接口是否连接正常，按压橡胶套的同时观测数据显示器是否显示数据变化。当应变计可正常感应数据，数据采集器可正常收集数据，数据显示界面可正常显示数据时，将传感器与云端成功连接。将已连接的传感器安装置于预先规划好的放置点位，将沥青应变计、湿度传感器、温度传感器的芯片感应端固定在细线上，同时严格控制纵向埋设深度。

2.5   自流平水泥砂浆回填

按照施工配比人工拌和现场水泥砂浆，从引线槽的一端靠近路中央的部位开始，至桥面护栏方向匀速灌注水泥砂浆。待水泥砂浆液性不明显，开始具有塑性时，去除固定的细线，同时解除对传感器探头的限制。施工人员在水泥砂浆开始形成强度之前应持续观察，防止沥青应变计及湿度传感器探头落入水泥砂浆内。

2.6   传感器的预制后铺设

沥青应变计的厚度较大且为“工字”结构，沥青应变计通过两个法兰之间的细微弯曲变化检测沥青材料的应变状况。若在水泥桥面板上直接撒（洒）布防水粘结体系及沥青铺装层，一旦经受摊铺机直接碾压，将使传感器数据精准度大大降低，故需要对沥青应变计进行预制埋设。

若沥青应变计在防水粘结层施工前埋设，则存沥青应变计底部漏洒沥青、沥青堆积胶连在法兰表面、碎石撒布不均匀等问题，进而影响结构的防水功能。鉴于此，本文将沥青应变计的层位，设置在水泥桥面板、SBR改性乳化沥青防水层与SBS改性沥青同步碎石封层之上。

在防水粘结层施工之前，将沥青应变计与线缆的末端接口断开并遮挡线缆接口。洒布完成后，重新连接、调试沥青应变计与线缆，待中面层AC-20沥青混凝土开始摊时，将沥青应变计采用耐高温耐压保护套遮挡，洒（撒）布后去除保护套，在形成的坑槽中人工控制回填同源沥青混合料，即可回归面层碾压工序，完成沥青应变计的预制埋设。

2.7   桥面护栏安置架组装

太凤高速王家山特大桥的桥梁防撞护栏的厚度，需大于数据安装箱的宽度，且太阳能供电板体积较大，若横向安置将侵入桥面行车净空范围，影响桥面层间健康监测系统工程范围内的紧急停车。鉴于此，必须采用相关措施，在不影响桥面净空的前提下，保证太阳能板、数据集采箱的正常安装，且部件的稳定性不受极端天气影响。

桥面防撞护栏厚度有限，太阳能板、数据集采箱必须延伸至桥梁结构外部。鉴于此，课题组户外空调电焊架为基础，搭建数据采集箱、太阳能板及雨量计安置架，即采用螺栓将电焊架加工完整，再将太阳能板、数据采集箱底部四角固定在电焊架上，再借助高空作业吊篮升降机，将安置架焊在桥梁结构外部。基于净空要求的健康监测结构安置架见图2。

2.8   数据箱及其采集器安装

一个数据采集器可收集4条线缆传输的传感器数据，将数据采集器、太阳能蓄电池（预先蓄电等）固定在数据采集箱内，技术人员排查确定线缆连接对应正确无误后，分别将数据采集箱、雨量计与太阳能板固定。将太阳能板向桥面内倾斜45°固定，雨量计及太阳能板引线从板底部连接至数据采集箱。

2.9   健康监测系统线缆防护

线缆应采用2.2.1的要求进行耐高温耐高压包裹防护。为避免埋设中材料的热胀冷缩效应，线缆不宜紧绷，槽中埋设的线缆应留有富余，将线缆引导至桥面防撞护栏，再自下而上走线至数据采集箱。若外部走线暴露，存在雨水侵蚀及不可遇见外部损伤，必须对从桥面结构中引出至采集箱的线缆进行整体防护。可采用加耐侵蚀涂层的矩形金属保护层，分引线槽进行包裹防护。

3   结束语

为长期监测桥面防水粘结层的防水性，本文基于耐碾压、耐高温及耐腐蚀的施工原则，采用埋入式传感器、振弦式采集器、无线通讯组网等组建的层间健康监测系统。论述层间健康监测系统的准备、刻槽、埋设、回填、预制后铺设、安装等施工流程，阐述基于桥面净空的数据采集箱、太阳能板及其附属装置的施工方法，结合桥面铺装特点，提出不同类型传感器的预埋设措施。

基于桥面净空及行车安全需要，数据采集箱、太阳能板等数据采集子系统不得超过桥面防撞护栏。数据采集子系统的布设架，宜以复合梯形结构的形式锚固在桥面护栏外部。为确保防水粘结层的完整性，线缆应在水泥砂浆回填桥面板槽前完成放线、调试工作。沥青应变计在水泥砂浆回填前应断开、防护，待防水粘结层洒布及中面层摊铺完成后，二次连接线缆调试，回填同源沥青混凝土，完成沥青应变计的埋设。

参考文献

[1] 张敬川.嵌入式压阻传感器在混凝土构件监测中的应用研究[D].大连：大连理工大学，2021.

[2] 夏红卫.埋入式应变传感器与沥青混合料的交互影响及协调变形研究[D].长沙：长沙理工大学，2021.

[3] 冯振刚，李爽，王书娟，等.基于美国足尺路面经验的沥青路面传感器布设方案研究[J]. 中外公路，2017，37（1）：42-46.

[4] 姜臻.适用于路基监测的分布式光纤传感器应用研究[D].大连：大连理工大学，2016.

[5] 熊成林，王万顺，武学毅.碾压沥青混凝土面板应变計埋设施工工法[J].水利建设与管理，2019，39（6）：63-66.

[6] 熊中原.基于内部传感测量的沥青路面健康检测技术研究[D].西安：长安大学，2012.